光全息存储技术的研究进展

全息信息存储技术的研究进展摘要随着社会的发展和技术的进步，人们对信息的需求不断增加，对信息数据存储的要求也越来越高。

全息光存储技术是一种极具发展潜力的信息存储技术，因其具有高信息冗余度、高存储容量和高存取速率等优点而日益收到关注。

关键词全息光存储；全息存储材料，复用技术，编码技术全息存储材料全息光存储的存储容量、传输速度、存储数据的稳定性和系统体积都受制于存储材料，因此，研制开发合适的存储材料是全息光存储中最为关键的问题之一。

对全息光存储材料性能的要求是高的光学质量、折射率变化大、高灵敏度和稳定的存储性能。

存储材料所具有的高的光学质量和低散射性可以保证携带数据信息的物光波前不失真，并可以使来自散射光的噪声变得容易处理。

折射率变化大可以保证有足够的动态范围以复用多幅全息图，同时为了充分利用布喇格效应实现复用，以提高存储容量，也希望存储材料能够具有一定的厚度。

高灵敏度可令存储材料在一定激光功率下反应速度更快。

而稳定的存储性能则可以使存储数据在后续读出或者存储其它数据时避免被破坏。

到目前为止，人们常用的全息存储材料包括：银盐材料、光致抗蚀剂、光导热塑材料、重铬酸盐明胶（DCG）、光致聚合物。

银盐材料是传统的全息记录材料。

超微粒的银盐乳胶有很高的感光灵敏度和分辨率，有较宽广的光谱灵敏范围，并已重复性好、保存期长，具有很强的通用性。

它既可以用来记录振幅型全息图（曝光加显影过程），也可以记录得到高衍射效率的位相型全息图（曝光、显影，然后进行漂白处理）。

目前，超微粒的银盐乳胶已经具有成熟的制备技术，并具有可靠、稳定的商品化产品——全息干板。

银盐材料的缺点主要在于：不能擦除后重复使用，湿显影处理程序较为繁琐，且对于位相型全息图，其较高的衍射效率却往往带来噪声的增加和图像质量的下降。

光致抗蚀剂是一种可以制备浮雕型位相全息图的高分子感光材料。

这种材料也可以旋涂在基片上制成干板，光照射后，抗蚀剂中将发生化学变化，且随着曝光量的不同，发生变化的部分将具有不同的溶解力。

选用合适的溶剂显影，便可制成表面具有凹凸的浮雕相位型全息图。

光致抗蚀剂有正性和负性两种类型。

负性光致抗蚀剂在显影过程中，溶剂将腐蚀掉未曝光部分的材料。

为了获得较好的图像质量，需要对负性光致抗蚀剂进行足够曝光，但这往往与全息图成像的最佳曝光量相矛盾，从而使负性光致抗蚀剂存储的全息图的精细线条往往由于曝光量不够，而在显影时被腐蚀掉，影响全息图的质量。

正性抗蚀剂的曝光和显影特性与负性抗蚀剂正相反，故使用正性抗蚀剂可以克服上述困难而获得高质量的全息图。

采用光致抗蚀剂来记录全息图有着令人看好的应用潜力，因为在全息光存储中的只读存储方面，采用这种方法记录的全息图可以铸模制成标准母盘，实现大批量、低成本的复制生产。

光导热塑材料是另一种记录浮雕型位相全息图的记录材料，是在电照相基础上发展起来的一种全息记录材料。

但由于其分辨率不够高，且高质量导电薄膜制造困难，因此应用有限。

重铬酸盐明胶（DCG）是在明胶中浸入Cr2O2-7离子构成的位相型全息记录材料。

它的光学性能良好，典型膜厚为10～3μm，被光照的部分不会变黑，因此再现全息图也不吸收光，是一种理想的位相型全息记录材料。

DCG可分为未硬化和硬化两种。

未硬化的 DCG记录的全息图的衍射效率只有30％，没有充分体现DCG材料的优点。

采用硬化DCG记录的折射率调制型全息图具有良好的光学性质，分辨率达到理论值的90％，且背景散射小于信号的10-4。

DCG材料的缺点在于：再现性差，即感光层从曝光到显影影像出现失真；光谱敏感范围有限；感光度较差；对空气的湿气抵抗力差等。

即便如此，由于其在光学性能上的优越性，核材料依然被广泛应用于全息存储、各种全息元件的制作等方面。

光致聚合物是近来在全息存储材料领域的一个研究的热点。

光致聚合物主要由单体、聚合体和光敏剂组成。

记录光照射聚合物后，光敏剂被激发，并引发曝光过程；然后，自由基引发单体分子聚合，最后在材料中形成位相型全息图。

光致聚合物具有较高感光灵敏度、高分辨率、高衍射效率以及高信噪比，可用完全干法处理及快速显影，记录的生息图具有很高的几何保真度，并易于长期保存。

光致聚合物的本要缺点在于其体积容易受到影响而发生变化，这一直是阻碍光致聚合物材料在全息光存储中实现应用的主要问题。

如果能够解决这一问题，光致聚合物将是一种非常理想的全息光存储材料。

光致变色材料也可以用于全息光存储，这是由于光致变色膜层内的分子极化特性发生改变，会导致膜层折射率的变化。

尤其记录波长与介质吸收谱非共振时，膜层内部可产生显著的折射率变化。

因此，这种条件下光数变色材料也可以看作是位相型全息光存储材料。

光致变色材料具有无颗粒特征，分辨率仅受记录光波长和光学系统的影响。

但是光致变色材料存储的全息图的衍射效率并不高，这也限制了核材料在全息光存储领域的应用。

光折变材料是另一种优良的全息光存储材料，目前在全息光存储领域得到了非常广泛的应用。

光折变材料是通过光折变效应来存储全息图的，即当受到非均匀的光强度照射时，材料局部折射率的变化与入射光强成正比。

光折变材料具有动态范围大、存储持久性长、可以固定以及生长工艺成熟等优点，且有机光折变聚合物也没有光致聚合物的体积变化问题，因此，从目前的研究情况看，光折变材料非常适合于全息光存储。

光折变材料主要有无机存储材料和有机存储材料两类。

常见的光折变无机材料主要有掺铁铅酸钾晶体（LiNO3：Fe）、铌酸锶钡（SBN）、和钛酸钡（BaTiO3）；而常见的有机光折变聚合物则有PMMA：DTNB：C60和PQ／PMMA等。

复用技术存储中的复用技术是全息光存储所特有的技术特征，采用合理的复用技术可以有效地增加系统的存储容量，提高存储系统的性能。

全息光存储中的复用技术主要包括空间复用、体积复用和混合复用三大类。

空间复用技术是将记录介质的二维平面划分成不同的区域，在每一个区域中单独存储一幅全息图。

空间复用技术是发展得最早的复用技术，主要适合于平面型记录材料，存储材料中的存储格式类似于硬盘和光盘。

为了弥补空间复用技术的缺陷，人们提出了体积复用技术。

体积复用技术分为三种：角度复用、位相复用和波长复用。

角度复用：这是一种使用最早，研究最为充分的复用技术，它利用了体积全息图的角度选择性，使不同的信息页面可以互不相干地叠加在同一个空间区域内。

每幅全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹角都各不相同，但采用的激光波长是固定的。

对角度的调整可以通过旋转反光镜或声光偏转器来实现。

角度复用技术可以有效地增大存储容量，提高存储密度。

但角度复用存储的全息图数目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干扰的叠加将导致读出数据的信噪比下降，这些因素也影响和限制了角度复用技术可以实现的存储容量。

位相复用：为了克服角度复用技术串扰噪声较大的缺点，人们又提出了正交位相编码复用技术。

在这种复用技术中，参考光的波长和光束角度都是固定的，而位相编码一般使用确定性位相编码中的正交位相编码。

正交位相编码的概念是——每个全息图的参考光都是由一组平面波束的集合组成，对其中每个光束都进行纯位相调制，即相对位相延迟非0即π。

每组这样的光束集合代表一个存储图像的地址，且和其它所有地址都正交。

读出信息时，只有该地址参考光束对应的全息图的衍射效率最大，而对于其它全息图则是相消干涉，理论上其衍射效率均为零。

因此，位相复用技术可以提高读出过程中全息图的衍射效率，增加读出数据的信噪比，并且可以使对存储数据的寻址通过改变光束的位相而不是改变光束的方向来实现，从而使寻址过程更快。

波长复用：由于全息图的再现对读出光的波长也十分敏感，所以波长复用也是全息光存储的主要复用方式之一。

波长复用也是基于全息光存储所具有的布喇格角选择性，只是此时每幅存储的全息图是与一个特定的光源波长相对应，记录和读出过程中参考光和物光之间的夹角保持不变。

混合复用技术：混合复用技术就是将上述几种复用方法结合使用，以便充分利用各种复用方法的优点，提高系统的存储容量。

主要的几种混合复用技术包括稀疏波长—角度复用、空间—角度复用以及空间—位相复用等等，在此不再赘述。

此外，随着技术的发展，人们又提出了一些新型的复用技术。

例如，1999年V．Markov等人提出的静态散斑复用技术；2001年，清华大学提出了利用全息光存储系统中随机相位极自身位移产生的动态散斑实现的动态散斑复用技术等。

编码技术全息光存储的目标是要实现超大存储容量、超高存储密度和超快存取速度的数字信息存储，然而如果不采取有效的信号处理方法来抑制其记录通道中存在的各种各样噪声，将导致读出数据的误码率上升，系统的存储容量下降。

全息光存储是一个有噪声的数据记录通道。

研究表明，选择不同的存储材料、系统配置、复用技术以及并行数据访问方案会导致全息光存储系统记录通道中主导噪声的特征发生变化。

噪声按照来源分可以分为系统噪声和非系统噪声（全息图噪声），按噪声的特征分布可分为固定模式噪声和随机噪声，按照全息图的过程又可分为光通道噪声和电通道噪声。

例如，系统噪声源主要包括光学系统未准直导致的噪声、CCD与SLM在纵轴方向的旋转、放大率误差、透镜的相差、SLM、存储介质、透镜和CCD的缺陷、对SLM和介质的不均匀照射、光致电压损耗、页间串扰和页内串扰等等导致的噪声；而非系统噪声源主要包括光电检测器和读出电子电路的热噪声，光散射噪声，相干散射噪声和散斑噪声等。

电噪声是一种加性噪声，其统计特性服从高斯分布。

采用光盘存储中使用的一维里德-所罗门码限（Reed-Solomon，缩写为RS码）可以使原始误码率从10-3下降到10-12，从而满足用户对数据误码事的要求。

基于全息光存储中数据页对于传输的要求，人们对于RS码用于并行错误纠正进行了研究，光通道中的噪声往往都是突发性的，基于页的二维匹配交错方法可使突发错误分散，获得良好的纠错效果。

将数字数据流调制为空间光调制器上的光强度变化，并使其最大限度地适应光通道的传输特性，称作调制编码或者通道编码。

全息光存储中常使用的调制编码包括差分编码、等重码、局部响应预编码、灰度级编码以及具有水平和垂直奇偶校验特性的阵列码。

对于差分码的检测判决时，利用其内在隐含的局部门限，依次对CCD转换的两位“模拟”数据比较其大小，然后做出0与1的正确判决，但差分码的编码效率仅为1／2。

从目前的研究进展来看，阵列码最有可能在全息光存储中得到应用。

在全息光存储系统中可以采用光信号处理技术也可以采用电信号处理技术，当然也可以同时采用两种信号处理技术。

光信号处理技术由于具有内在的并行性，因此速度很快，但是系统的复杂性和成本也相应增加；电信号处理技术相对比较成熟，但是速度比较慢。

为了减少读取数据时电通道的瓶颈，可从光电转换开始将一个检测阵列分成多块，实行并行处理以匹配光通道的速度。